Нептун

Нептун — это мрачный и холодный мир на окраине Солнечной системы. Это восьмая и, на данный момент, последняя из известных планет по мере удаленности от Солнца. Нептун представляет собой массивный ледяной гигант, состоящий из газов в необычных агрегатных состояниях.

Одна из главных особенностей планеты заключается в том, что ее открытие было подтверждено не столько путем непосредственного наблюдения за небом, сколько благодаря математическим расчетам. Сегодня мы поближе познакомимся с гигантской голубой планетой — узнаем историю открытия, основные характеристики и интересные факты о Нептуне.

Кто открыл Нептун

По архивным данным удалось установить, что планету дважды наблюдал Галилео Галилей — в 1612 и 1613 годах. Однако «открытие» Нептуна тогда не состоялось, так как великий флорентийский ученый принял его за тусклую неподвижную звезду, а не за планету. Ошибся он не случайно, ведь в то время Нептун только что стал ретроградным. Это означает, что для наблюдателей с Земли он визуально начал движение в обратную сторону и его движение было почти невозможно визуально зафиксировать. Похожий эффект возникает, когда при обгоне кажется, что более медленный автомобиль начал двигаться назад.

Прошло немногим более 200 лет, и существование в Солнечной систему восьмой планеты заподозрил французский астроном Алексис Бувар. Он подробно изучал орбиту Урана — самой удаленной из известных на то время планет. В 1821 году он опубликовал таблицы с расчетом местоположения Урана на основе законов механики и гравитации Исаака Ньютона. Последующие наблюдения показали отклонения от расчетов, из-за чего Бувар предположил, что на планету гравитационно воздействует массивное тело на более далекой орбите.

Исследования орбиты Урана с целью найти восьмую планету возобновились в 1840-х. Англичанин Джон Куч Адамс, впоследствии ставший выдающимся астрономом и математиком, а в те годы бывший молодым человеком, только что закончившим колледж, приступил к расчету массы искомого небесного тела, что позволило бы определить его орбиту. Параллельно с Адамсом и независимо от него свои исследования проводил французский ученый Урбен Леверье.

Вычисления обоих ученых 23 сентября 1846 года проверял немецкий астроном Иоганн Галле, в отличие от Адамса и Леверье имевший доступ к достаточно мощному телескопу. Ему понадобился всего час наблюдений, чтобы обнаружить планету на отдалении в 1° и 12° от предсказаний Леверье и Адамса соответственно. Между британцами и французами разгорелся спор, кто должен получить признание за сделанное открытие. Научное сообщество пришло к выводу, что вклад ученых был равноценным, и их признали сооткрывателями. С учетом голубоватого свечения планеты и в соответствии с принятой номенклатурой планете присвоили название Нептун в честь древнеримского бога моря.

Исследования планеты Нептун

Единственным космическим аппаратом, который достиг Нептуна, является «Вояджер-2». В 1989 году состоялось максимальное сближение с планетой — зонд прошел всего в 5 000 километров над ее северным полюсом. Детекторы зафиксировали электромагнитные импульсы и плазменные волны, подтвердившие наличие у планеты магнитного поля. Кроме того, с помощью аппарата удалось удостовериться в том, что у Нептуна есть кольца. Траектория движения «Вояджера-2» также позволила ему сблизиться на 40 000 километров с крупнейшим спутником планеты Тритоном, чтобы передать на Землю уникальные кадры.

Физические характеристики Нептуна

Размеры и масса Нептуна

Нептун — четвертая по размеру планета Солнечной системы, уступающая по этому показателю всем планетам-гигантам. Ее средний экваториальный диаметр составляет 49 244 километра — в 3,9 раза больше, чем у Земли, но в 1,5 раза меньше, чем у Юпитера. Объем Нептуна составляет 6,25 * 10¹³ км³ — внутри него могло бы поместиться сразу 57 планет размером с нашу Землю. И хотя по своим размерам Нептун немного уступает Урану, он все же массивнее своего «соседа» по Солнечной системе. Его масса равна 1,02 * 10²⁶ килограммов, из чего можно сделать вывод, что Нептун на целых 18% тяжелее Урана. Столь заметная разница связана с различной плотностью планет — 1,64 против 1,27 г/см³.

Орбита и вращение Нептуна

Нептун обращается по удаленной эллиптической орбите. На таких масштабах в астрономии расстояние измеряют не в километрах, а в астрономических единицах (а.е.). Одна астрономическая единица равна приблизительно 150 млн километров, что эквивалентно среднему расстоянию от Земли до Солнца. В перигелии (ближайшей точке орбиты) Нептун находится на расстоянии 29,77 а.е. от Солнца, а в афелии (самой далекой точке орбиты) расстояние увеличивается до 30,44 а.е. Если перевести показатели в привычные нам единицы, они будут равны 4,45 и 4,55 млрд километров соответственно.

Как можно видеть, несмотря на значительное отдаление от Солнца, орбита Нептуна совсем немного отклоняется от идеального круга, то есть имеет небольшой эксцентриситет. Полный оборот вокруг Солнца планета делает за 164,8 земных года. Таким образом, с момента открытия планеты учеными в XIX веке до сегодняшнего дня на Нептуне прошло немногим больше одного года.

Так как Нептун не имеет твердой поверхности, он вращается дифференциально, то есть с разной скоростью в разных областях. На экваторе полный оборот вокруг своей оси планета делает за 18 часов, тогда как на полюсах — за 12. Такой большой разницы не наблюдается ни у одной другой планеты-гиганта. Один день на Нептуне считают по полному обороту магнитного поля планеты, который происходит за 16 часов.

Как добраться до Нептуна: время в пути

Среднее расстояние от Земли до Нептуна составляет 4,4 млрд километров, или 29,4 а.е. При текущем уровне и предполагаемом потенциале развития космической техники пилотируемые полеты на планету вряд ли будут возможны даже в отдаленном будущем. Однако возможность отправки роботизированных зондов существует, что доказал пролет «Вояджера-2».

Важно отметить, что полет на столь большое расстояние очень трудно осуществить на одном лишь топливе разгонных аппаратов, поэтому для далеких миссий используют гравитационные маневры. По пути зонд сближается с другой планетой, чтобы использовать ее гравитацию для корректировки скорости и курса. Подходящие окна для запуска аппарата будут с 2031 по 2033 год и в начале 2040-х. Если подобная миссия будет реализована, полёт займет порядка 18 лет.

Структура Нептуна: из чего состоит планета?

Согласно математической модели, в центре Нептуна располагается железное ядро с примесями никеля и силикатов. Предполагается, что оно имеет диаметр около 4 000 километров и массу, превышающую массу Земли, — порядка 7 * 10²⁴ килограммов. Температура в ядре составляет около 5 100 °C, а давление достигает 700 гигапаскалей (в 2 раза больше, чем в центре нашей планеты).

За ядром следует основной слой Нептуна — мантия, масса которой эквивалентна 10–15 массам Земли. Предположительно, мантия составляет до 80% структуры планеты, что позволяет говорить о толщине порядка 19 000 километров. В ее составе преобладает метан, аммиак и вода, которые находятся в состоянии сверхкритической жидкости (нечто среднее между жидкой и газовой фазой). Из-за низкой температуры замерзания метана и аммиака (-182 и -78 °C) в астрофизике и планетологии такое состояние принято называть «льдом». Именно поэтому Нептун, как и Уран, относят к ледяным гигантам.

Атмосфера и магнитосфера Нептуна

Атмосфера Нептуна на 80% состоит из водорода и на 19% — из гелия. Содержание метана не превышает 1%, однако его наличие тоже имеет значение. Дело в том, что даже в столь небольшом количестве метан поглощает световые волны в инфракрасной части спектра, однако хорошо пропускает коротковолновый синий свет. Таким образом, благодаря метану мы можем наблюдать голубоватый оттенок планеты.

В нижней части атмосферы Нептуна (тропосфере) были замечены аммиачные и сероводородные облака. В областях, в которых температура достигает 0 °C, также формируются облака из водяного льда. Исследования с помощью космических телескопов показали, что облака на Нептуне могут отбрасывать тень на верхнюю часть мантии, то есть условную поверхность планеты.

Потоки сверхкритической жидкости в мантии Нептуна облают высокой электропроводностью. Их конвективное, вызванное высокой гравитацией, движение способствует возникновению динамо-эффекта, из-за чего у планеты образуется магнитное поле. Это поле настолько масштабное, что его край удален на 35 радиусов планеты. Измерения, проведенные «Вояджером-2», показали, что на Нептуне формируются полярные сияния, однако они имеют не такую высокую яркость, как на Земле, из-за рассеяния солнечного ветра на столь большом расстоянии.

Климат на Нептуне: температура и погодные условия

Температура на Нептуне падает по мере отдаления от центра планеты. В тропосфере она составляет около 0 °C, а в стратосфере этот показатель падает до -220 °C. Интересно, что в следующем слое (термосфере) температура резко возрастает до 480 °C. Ученые не могут однозначно объяснить этот аномальный скачок, так как ни солнечные лучи, ни ядро планеты не могут передать так много тепловой энергии. Возможно, это связано с воздействием ионов, захваченных магнитным полем, или же гравитационными волнами. В самом верхнем слое (экзосфере) температура снова падает и постепенно стремится к абсолютному нулю: -273,15 °C.

Климат на Нептуне является наиболее неблагоприятным среди всех планет Солнечной системы. По движению облаков удалось установить, что скорость ветра в основном варьируется от 20 до 325 м/с. При формировании динамичных штормовых систем скорость ветра увеличивается до сверхзвуковой и может достигать 600 м/с.

Большое темное пятно планеты Нептун

В 1989 году на Нептуне был замечен масштабный антициклонический шторм, который назвали Большое темное пятно (по аналогии с Большим красным пятном Юпитера). Пятно имело овальную форму с размером сторон 13 000 x 6 600 километров. Так как этот шторм являлся антициклоном, он представлял собой зону, свободную от метановых и аммиачных облаков, и позволял «заглянуть» в более глубокие слои атмосферы. Последующие наблюдения показали, что Большое темное пятно сначала сместилось с севера на юг, а затем полностью исчезло.

С помощью исследований космического телескопа «Хаббл» удалось установить, что темные пятна возникают на Нептуне с определенной периодичностью. Подобные антициклоны формируются в полярных или средних широтах, затем дрейфуют в течение нескольких лет, после чего рассеиваются.

Спутники Нептуна

Первый, крупнейший и единственный шарообразный спутник Нептуна был обнаружен в 1846 году, через 17 дней после открытия планеты. Он получил название Тритон в честь древнегреческого морского бога, сына Посейдона (бог, соответствующий Нептуну в греческой мифологии). Тритон имеет диаметр 2 707 километров и немного превышает по размеру карликовую планету Плутон. Почти вся поверхность спутника покрыта льдом из азота, воды и углекислого газа. На ней выделяются так называемые криовулканы, извергающие «лаву» в виде жидкого или газообразного метана и аммиака. Возможно, под ледяной коркой Тритона находятся озера с жидкой водой, которые не замерзают благодаря воздействию приливных сил Нептуна.

Следующий спутник Нептуна открыли в 1946 году. Ему присвоили название Нереида в честь древнегреческих морских нимф. Нереида недостаточно массивна, чтобы принять сферическую форму. При этом точная форма Нереиды неизвестна, так как изображение, полученное с «Вояджера-2», оказалось слишком размытым. Удалось установить лишь, что средний диаметр Нереиды составляет 340 километров.

В период с 1989 по 2013 год было обнаружено еще 14 спутников Нептуна. Все они имеют неправильную форму и нестабильные вытянутые орбиты. Диаметр большинства из них находится в промежутке от 15 до 195 километров. Единственное исключение — Протей, второй по величине спутник Нептуна со средним диаметром 420 километров. Поверхность Протея покрыта кратерами от ударов метеоритов и продолговатыми бороздами, сформировавшимися под воздействием гравитации Нептуна.

Кольца Нептуна: состав и количество

Как и у других планет-гигантов, у Нептуна также есть кольца. Предположения об их существовании начали выдвигаться с 1968 года — различные ученые наблюдали кратковременные затемнения звезд, находящихся в той же области неба, что и Нептун. Пролет «Вояджера-2» развеял сомнения и подтвердил наличие системы из пяти основных колец и четырех менее выраженных кольцевых дуг. Все они обращаются вокруг планеты на расстоянии от 42 000 до 63 000 километров. Как и в случае с Сатурном, кольца Нептуна состоят преимущественно из частиц водяного льда. Считается, что в них могут содержаться примеси силикатов и углеродных соединений.

Топ-5 интересных фактов о планете Нептун

• В мантии Нептуна, на глубине 7 000 километров, могут формироваться алмазы. Под воздействием высокой температуры и давления метан частично распадается на алмазные кристаллы, которые плавают в океане из сверхкритических газов.
• Насыщенный синий цвет планеты, который мы можем видеть на фотографиях, сильно преувеличен, чтобы Нептун было проще отличать от Урана. В действительности Нептун имеет бледно-голубой оттенок, лишь незначительно превышающий по насыщенности цвет Урана.
• Угол наклона оси вращения Нептуна составляет 28° — приблизительно такой же показатель имеет Земля. Благодаря этому на Нептуне также происходит смена времен года, каждое из которых длится по 40 земных лет.
• Нептун является единственной планетой Солнечной системы, которую невозможно различить невооруженным глазом, даже с очень острым зрением. В хороший бинокль он будет виден как тусклое пятнышко, а для уверенного наблюдения понадобится телескоп с как минимум 150-кратным увеличением.
• Время от времени Плутон оказывается внутри орбиты Нептуна и располагается ближе к Солнцу, чем ледяной гигант. Однако по расчетам астрономов эти небесные тела никогда не столкнутся, так как их орбиты не пересекаются, и разный орбитальный период препятствует сближению этих двух объектов.

Вопрос-ответ

Есть ли на Нептуне вода?

Да, на Нептуне есть вода. В недрах планеты она находится в сверхкритическом, то есть промежуточном текучем состоянии, а в атмосфере могут формироваться облака из водяного льда.

Какого цвета планета Нептун?

Планета Нептун имеет бледно-голубой оттенок, а также светлые и темные области, который представляют собой облака и шторма.

Какая длина дня и года на Нептуне?

Один день длится на Нептуне 16 часов, а один год — 164,8 земных года.

Есть ли у Нептуна атмосфера?

Да, у Нептуна есть плотная атмосфера, насыщенная водородом, гелием и метаном.

Изображение на обложке: NASA/Voyager 2/PDS/OPUS/Ardenau4, CC0, via Wikimedia Commons